Computertomograf

16-Zeilen-Multidetektor-CT

Bedienkonsole eines 16-Zeilen-Multidetektor-CT

Die Computertomographie (von altgr. τομή, tome, „Schnitt“ und γράφειν, graphein, „schreiben“), Abkürzung CT, ist die rechnerbasierte Auswertung einer Vielzahl aus verschiedenen Richtungen aufgenommener Röntgenaufnahmen eines Objektes, um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen (Voxeldaten). Es handelt sich dabei um ein schnittbildgebendes Verfahren. Es wird auch CT-Scan oder CAT-Scan (von computed axial tomography) abgekürzt.

Funktionsweise

Beim herkömmlichen Röntgenverfahren wird das abzubildende Objekt von einer Röntgenquelle durchleuchtet und auf einem Röntgenfilm abgebildet (bildgebendes Verfahren). Es entsteht eine Projektion des Volumens auf eine Fläche. Bei dieser Projektion gehen Informationen, welche die dritte Dimension (Dicke) des durchleuchteten Körpers betreffen weitgehend verloren. Grund hierfür ist, dass im Nachhinein nicht mehr unterschieden werden kann, ob die im Röntgenbild sichtbare Schwächung (helle Bereiche im Bild) durch ein Material höherer Absorption oder durch eine größere Schichtdicke hervorgerufen wurde.

Die Computertomographie umgeht dieses Problem, indem sie viele Röntgenbilder des Objekts aus den unterschiedlichsten Richtungen erstellt und nachträglich aus diesen Abbildungen die nicht erfasste Volumenstruktur rekonstruiert (sog. Rekonstruktion oder Rückprojektion^[1]). In der Regel setzen sich diese 3D-Rekonstruktionen aus Einzelschnitten (Schnittbildverfahren) zusammen, die quer durch das Objekt verlaufen. Auf diese Weise kann für jedes Volumenelement des Objektes (sog. Voxel entspricht einem dreidimensionalen Pixel) der Absorptionsgrad ermittelt werden.

Geschichte

Die Computertomographie wurde möglich durch die Nutzung des mathematischen Verfahrens, das 1917 von dem österreichischen Mathematiker Johann Radon entwickelt wurde. Damals ein rein mathematischer Erkenntnisgewinn fern jeglicher Anwendungsmöglichkeiten bildet die Radontransformation heute die Grundlage zur Berechnung von zerstörungsfreien räumlichen Aufnahmen eines Objektes mit seinen gesamten Innenstrukturen.

Nach Vorarbeiten des Physikers Allan M. Cormack zwischen 1957 und 1963 realisierte der Elektrotechniker Godfrey Hounsfield mehrere Prototypen. Beide erhielten für ihre Arbeiten 1979 gemeinsam den Nobelpreis für Medizin. Die erste CT-Aufnahme an einem Menschen wurde 1971 vorgenommen, zuvor gab es Reihenuntersuchungen an Tieren, um die Unbedenklichkeit einschätzen zu können. 1972 wurde der erste kommerzielle Computertomograph der Firma EMI für die klinische Anwendung im Londoner Atkinson Morley Hospital installiert. ^[2]

Anwendung

Die Computertomographie wird vorwiegend in der Medizin, aber auch in anderen Fachgebieten angewendet wie zum Beispiel CT von Bäumen, zur zerstörungsfreien Untersuchung von archäologischen Funden wie Mumien, oder auch in der Materialprüfung. Die Röntgenstrahlen, die durch das Untersuchungsobjekt geschickt werden, werden von mehreren Detektoren gleichzeitig aufgezeichnet. Der Vergleich zwischen ausgesandter und gemessener Strahlungsintensität gibt Aufschluss über die Abschwächung (Absorption) der Strahlung durch das zu untersuchende Gewebe. Die Daten werden mittels eines mathematischen Verfahrens im Computer zu einem Volumendatensatz zusammengefügt, aus dem man Schnittbilder und 3D-Ansichten in beliebigen Ebenen rekonstruieren kann. Zur Untersuchung eines Organs wird in der Praxis meist eine Serie von Schnittbildern angefertigt.

Der Absorptionsgrad (Schwächungskoeffizient, oft physikalisch ungenau als Dichte oder Röntgendichte bezeichnet) wird in der CT in Grauwerten dargestellt und auf der Hounsfield-Skala angegeben. Luft hat auf dieser Skala einen Absorptionswert von −1000, Wasser von 0 und Metall (zum Beispiel Implantate) von über 1000. Spongiöses Knochengewebe (Knochenbälkchen, zum Beispiel in den Wirbelkörpern) liegt typischerweise bei etwa 400 bis 800 Hounsfield-Einheiten (HE oder HU), kompaktes Knochengewebe (zum Beispiel im Schaft langer Röhrenknochen) weit über 1000 HU. Nach oben ist die Hounsfield-Skala offen, sie ist jedoch in der praktischen Anwendung auf 12 Bit (−1024 bis +3071) begrenzt. In der praktischen Anwendung wird jedem akquirierten HU ein Grauwert in der bildlichen Darstellung des CT-Scans zugeordnet. Da das menschliche Auge nicht in der Lage ist, diese 4000 Grauwerte zu differenzieren, wird der Bereich der Grauwert-Darstellung je nach untersuchtem Organsystem begrenzt (Fenster-Weite und Fenster-Zentrum). Vorteilhaft ist auch die Falschfarbendarstellung.

Im Fachjargon der Mediziner wird ein Gewebe, das einen niedrigeren Absorptionsgrad aufweist als erwartet, als hypodens (Hypodensität) bezeichnet; bei höherem Schwächungskoeffizienten als hyperdens (Hyperdensität). Zwei Bildpunkte, die Gewebe mit gleichem Absorptionsgrad repräsentieren, sind einander isodens.

CT eines menschlichen Schädels	CT Scan - deutlich zu erkennen der Längs-Schnitt durch einzelne Organe	Spiral-CT des Herzens	CT-Aufnahme des Nackens; links oben: VR-Darstellung; rechts oben:axialer Schnitt; links unten: sagittaler Schnitt; rechts unten: frontaler Schnitt
CT-Angiographie mit deutlich erkennbarer Arteriosklerose

Gerätetypen

Man unterscheidet CT-Geräte nach verschiedenen Generationen:

Nachbau des ersten CTs

• Translation-Rotations-Scanner – Bei diesen Geräten sind die Röntgenröhre und der Detektor mechanisch miteinander verbunden. Die einzelnen Aufnahmen entstehen durch eine Dreh- und eine Verschiebebewegung der Röhre und des Detektors. Die ersen Geräte im Jahre 1972 verwenden nur einen einzelnen Röntgenstrahl, Geräte der 2. Generation, die ebenfalls schon 1972 auf den Markt kamen, bis zu zehn. Nach einer Rechenzeit von 35 Minuten konnte die aufgenommene Schicht in einer Matrix von 80x80 Bildpunkten dargestellt werden.

CT der 3. Generation, Geräteabdeckung entfernt

• Rotate-Rotate-Geräte – Die Röhre muss hier keine translatorische Bewegung mehr durchführen, da ein Fächer von Strahlen ausgesendet wird, welcher den gesamten Bereich durchleuchtet. Sie wird nur noch um den Patienten gedreht, ein auf der gegenüberliegenden Seite des drehenden Teils angebrachtes Kreissegment von Detektorzellen nimmt den Fächer auf. Diese Geräte der 3. Generation kamen im Jahr 1975 auf den Markt. Alle heute auf dem Markt angebotenen Geräte mit Drehanode für die Diagnostik am Menschen sind Rotate-Rotate-Geräte, also Geräte der 3. Generation.
• Rotate-Stationary-Geräte – Bei diesen Geräten rotiert nur noch die Röntgenröhre um den Patienten herum, während die Detektoren in einem vollen 360°-Kreis um den Patienten angebracht sind. Diese 4. Generation folgte im Jahre 1978.
• Elektronenstrahl-Scanner – Bei diesen Geräten der 5. Generation bewegen sich keine mechanischen Komponenten mehr. Um den Patienten herum befindet sich ein 360°-Kreis mit Detektoren und ein Ring aus einem Material wie zum Beispiel Wolfram, welches als Target (Ziel) für den Elektronenstrahl einer Elektronenkanone dient. Nach dem Prinzip einer Braunschen Röhre wird dieser Elektronenstrahl, mittels elektromagnetischer Felder, jeweils zur gewünschten Position auf dem Targetring gelenkt. Wo er auftrifft entsteht Röntgenstrahlung, welche dann den Patienten durchleuchtet. Um die vollen 360 Grad des Ringes abdecken zu können, kommen mehrere Elektronenkanonen und Ablenkanordnungen zum Einsatz, die in regelmäßigen Abständen um das Target herum angebracht sind. Durch diese Technik können sehr schnell Bilder erzeugt werden, sogar Echtzeitaufnahmen vom schlagenden Herzen sind möglich. Diese Geräte haben sich, wohl aufgrund des hohen technischen Aufwands und damit des hohen Preises, im medizinischen Alltag nicht durchgesetzt, werden jedoch aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung von bis zu 30 ms in der Kardiologie bis heute verwendet.^[3]

Im Jahr 1987 kam der erste Computertomograph mit Schleifringtechnologie auf den Markt. Mit Hilfe dieser Technik war es möglich, Röhre und Detektor ununterbrochen drehen zu lassen. Damit konnte die Aufnahmezeit deutlich gesenkt werden. Zuvor waren beide Komponenten über Kabel an der Gantry angeschlossen, weswegen nach einer erfolgten 360°-Umdrehung die Röhre zurückgedeht werden musste.^[2]

Spiral- oder Helix-CT

Bewegung der Röhre beim Spiral-CT

Im Jahre 1989 führte der Deutsche Willi A. Kalender den Spiral-CT ein.^[2] Alle heutigen Geräte arbeiten im Spiralverfahren, bei dem der Patient mit konstanter Geschwindigkeit entlang seiner Längsachse durch die Strahlenebene bewegt wird, während die Strahlenquellendetektoreinheit konstant rotiert. Je nach Gerät können mehrere Axialebenen (2 bis maximal 320, Stand 2008) gleichzeitig eingelesen werden (Mehrschicht- oder Multislice-Verfahren). Dadurch ist das Verfahren schneller und es lassen sich Bewegungsartefakte (z. B. durch die Atmung) reduzieren. Auf dem mit dem Gerät verbundenen Rekonstruktionsrechner werden aus dem Datensatz die gewohnten 2D-Schnittbilder errechnet. Neben der hohen Geschwindigkeit ist ein weiterer Vorteil moderner Mehrschicht-Spiral-CT die Gewinnung von Datensätzen mit isotropen Voxeln. Isotrope Voxel haben die Form von Würfeln mit gleicher Kantenlänge in allen drei Raumrichtungen (dx = dy = dz). Dadurch ist eine Multiplanare Reformation in beliebigen Bildebenen (axial, sagittal, coronar ohne einen Verlust an (Detail-) Auflösung oder auch oblique (schräge und gekrümmte), sowie eine qualitativ hochwertige 3D-Rekonstruktion möglich. Spiral-CTs verwenden Hochleistungs-Drehanodenröhren.

Mehrzeilen- CT

Die Firma Elscint stellte im Jahr 1992 als erster Hersteller einen Computertomographen vor, der bei einem Röhrenumlauf zwei Schnitte gleichzeitig aufnahm.^[4] Alle anderen Hersteller klinischer CTs zogen nach und die Schichtzahl verdoppelte sich auf 4 im Jahr 1998, wuchs über 6 und 8 Zeilen auf 16 im Jahr 2001, weiter auf 20, 32 und 40 Zeilen auf 64 im Jahr 2006 und erreichte mit 320 gleichzeitig akquirierbaren Bildzeilen im Jahr 2008 bis heute ihren Gipfel.^[5]

Dual-Source-Computertomographie

Prinzip des Dual-Source-Scanners

Ein Dual-Source-Computertomograph wurde 2005 von Siemens vorgestellt ^[6]. Im Gegensatz zum herkömmlichen Computertomographen arbeiten im Dual-Source-Computertomographen zwei rotierende, um 90 Grad versetzt angeordnete Röntgenstrahler gleichzeitig. Damit kann die Aufzeichnungszeit halbiert werden, was besonders für die Herzbildgebung nützlich ist. Die beiden Röhren können mit unterschiedlicher Spannung betrieben werden ^[7].

Multi-Energy-Computertomographie

Der Übergang von der konventionellen Computertomographie zur Multi-Energy-Computertomographie ist vergleichbar mit dem Wechsel von der Schwarz-Weiß zur Farbfotografie:
Das in der Fotografie für die Bildgebung verwendete sichtbare Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge; analog besteht das für die Computertomographie verwendete Röntgenspektrum einer Röntgenröhre ebenfalls aus elektromagnetischen Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge. Konventionelle Computertomographen quantifizierten bisher lediglich die Schwächung des gesamten einfallenden Röntgenspektrums; die unterschiedliche Absorptionscharakteristik eines Gewebes für unterschiedliche Wellenlängen blieb unberücksichtigt.
Die Schwächungseigenschaften von Geweben und Kontrastmittel ist stark von der Photonenenergie der verwendeten Röntgenstrahlung abhängig. Da im CT-Bild die Hounsfield-Werte von Kontrastmittel denen von Kalzifikationen ähneln, ist beispielsweise die Differenzierung zwischen Koronarkalk und Kontrastmittel im konventionellen CT-Bild bisweilen schwierig. Da Kontrastmittel im niederenergetischen Spektrum aber eine deutlich höhere Absorption als im höherenergetischen Spektralbereich zeigt, kann man mit Hilfe der Multi-Energy Computertomographie eine Differenzierung zwischen Kalk und Kontrastmittel in bisher nicht gekannter Qualität durchführen.

Die Firma Siemens kann mit dem Dual-Source Computertomographen Somatom Definition Aufnahmen mit unterschiedlichen Strahlenqualitäten durchführen, indem die Röhrenspannungen der beiden Röhren unterschiedlich eingestellt werden. ^[8] Die Firma General Electric bietet mit dem CT750 HD ebenfalls einen Computertomographen an, der die Multi-Energy-Aufnahmetechnik ermöglicht. Dieses System verwendet jedoch nur eine einzige Röhre, dessen Röhrenspannung im Millisekundenbereich zwischen zwei Energieniveaus wechseln kann. ^[9]

Nachteile

Ein Nachteil der Computertomographie ist die Strahlenexposition. Diese ist um bis zu 1000-mal höher als bei einer Thorax-Röntgenaufnahme^[10][11] und ca. 50-mal höher als bei einer kompletten Mammografie. Das damit verbundene Risiko muss bei der Indikationsstellung berücksichtigt werden. Die hohe Aussagekraft der CT kann die Durchführung rechtfertigen. Ärzte unterschätzen^[12] laut Heyer die Strahlenbelastung bei der Computertomographie: Diese machten im Jahr 2003 gut 6% aller Röntgenuntersuchungen aus, waren aber für mehr als 50% der medizinischen Röntgenstrahlung verantwortlich ^[13]. Jährlich werden in den USA mehr als 62 Mio. CT-Scans durchgeführt. Jede dritte dieser Untersuchungen ist nach Experteneinschätzungen nicht notwendig^[14]. Eine Übersichtsarbeit im „New England Journal of Medicine“ warnt, dass die jetzt durchgeführten CTs in einigen Jahrzehnten für 1,5-2% aller Krebserkrankungen verantwortlich sein könnten. Die Autoren der Übersichtsarbeit stellten aber auch klar, dass in den etablierten Indikationen der Nutzen das Risiko überwiege.^[15]

Untersuchung	Strahlendosis (mSv)
Röntgenaufnahme des Thorax	0,02[16] – 0,1
Natürliche Strahlenbelastung pro Jahr	2,1[17]
Kopf-CT	1,5[18] – 2,3[16]
Screening Mammographie	3
Abdomen-CT	5,3[18] – 10[16]
Thorax-CT	5,8[18] – 8[16]
Thorax-, Abdomen- und Pelvis-CT	9,9[18]

Alternativen

Eine Alternative zur CT stellt die Magnetresonanztomographie (MRT) dar, die auch als Kernspintomographie bezeichnet wird. Die beiden Hauptvorteile dieses Verfahrens gegenüber der CT sind, dass keine schädliche Röntgenstrahlung verwendet wird und die Möglichkeit, Organe und Gewebe auch ohne Kontrastmittel mit hohem Weichteilkontrast abzubilden. Nachteile sind unter anderem der höhere Anschaffungspreis der MRT-Geräte und längere Untersuchungszeiten. Im zahnärztlichen Bereich ist eine alternative dreidimensionale Bildgebung die Digitale Volumentomographie.

Weblinks

• Erklärung der Computer-Tomographie bei netdoktor.de
• Schattenspiele: CT-Erklärung für Kinder
• Gefährliche Strahlenbelastung
• Fernbedienbares optisches Modellexperiment zur Computertomographie (siehe dort unter „Labs“)

Nachweise

1. ↑ Buzug T.M.: Einführung in die Computertomographie - Mathematisch-physikalische Grundlagen und Bildrekonstruktion, Springer Verlag, ISBN 3-540-20808-9
2. ↑ ^{a b c} Philip Gabriel: Experimentelle Studie zum Vergleich der Bildqualität von axialen Schnittbildern und multiplanaren Reformationen der Computertomographie anhand von Wirbelkörperpräparaten. In: Inaugural– Dissertation zur Erlangung des Medizinischen Doktorgrades. Medizinische Fakultät der Albert–Ludwigs–Universität Freiburg im Breisgau, 2004. Abgerufen am 24.April 2009. (PDF, Deutsch)
3. ↑ GE Healthcare Product Features: eSpeed. GE Healthcare, 2009. Abgerufen am 24.April 2009. (Englisch)
4. ↑ Info auf www.allbusiness.com
5. ↑ Website von Toshiba
6. ↑ Siemens AG - Erster Dual-Source-Computertomograph der Welt. 17. November 2005. Abgerufen am 30. Januar 2008.
7. ↑ Gabriele Wagner: CT mit Doppel-Röhre: schneller, schärfer - und die Strahlendosis sinkt. Ärzte Zeitung online, 30. November 2006. Abgerufen am 30. Januar 2008.
8. ↑ Website von Siemens Medical
9. ↑ GE Healthcare
10. ↑ ZDF.de - Strahlende Geschäfte
11. ↑ Experten warnen vor Computertomografie
12. ↑ Schöne Bilder verlocken zu unnötigen Untersuchungen
13. ↑ RöFo, 2007, 179 (3): 261-7 zitiert nach „Der Allgemeinarzt“ 8/2007, S. 18
14. ↑ Warnung vor Vorsorge-CT
15. ↑ N Engl J Med 2007;357:2277-84
16. ↑ ^{a b c d} Orientierungshilfe für radiologische und nuklearmedizinische Untersuchungen. Empfehlung der Strahlenschutzkommission. Bonn 2006 ISBN 3-87344-130-6 PDF 850 kB
17. ↑ Umweltradioaktivität und Strahlenbelastung im Jahr 2006 – Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
18. ↑ ^{a b c d} Shrimpton, P.C; Miller, H.C; Lewis, M.A; Dunn, M. Doses from Computed Tomography (CT) examinations in the UK - 2003 Review